Válvulas de Segurança

Qualquer sistema pressurizado requer dispositivos de segurança para proteger pessoas, processos e propriedades. Este tutorial detalha situações em que pode ocorrer sobrepresão, a ampla e frequentemente confusa variedade de dispositivos disponíveis, como tais dispositivos operam e os muitos códigos, normas e autoridades de aprovação a observar.

Introdução às Válvulas de Segurança

Assim que a humanidade foi capaz de ferver água para criar vapor, a necessidade do dispositivo de segurança se tornou evidente. Há 2000 anos, os chineses usavam caldeiras com tampas articuladas para permitir uma produção (relativamente) mais segura de vapor. No início do século XIV, químicos usavam plugues cônicos e, mais tarde, molas comprimidas para atuar como dispositivos de segurança em vasos pressurizados. No início do século XIX, explosões de caldeiras em navios e locomotivas frequentemente resultavam de dispositivos de segurança defeituosos, o que levou ao desenvolvimento das primeiras válvulas de alívio de segurança. Em 1848, Charles Retchie inventou a câmara de acumulação, que aumenta a superfície de compressão dentro da válvula de segurança, permitindo que ela abra rapidamente dentro de uma margem estreita de sobrepresão. Hoje, a maioria dos usuários de vapor é obrigada por regulamentos locais de saúde e segurança a garantir que suas plantas e processem incorporem dispositivos de segurança e precauções que garantam que condições perigosas sejam evitadas. A função primária de uma válvula de segurança é, portanto, proteger vidas e propriedades. O tipo principal de dispositivo usado para prevenir sobrepresão em plantas é a válvula de segurança ou válvula de alívio de segurança. A válvula de segurança opera liberando um volume de fluido de dentro da planta quando uma pressão máxima predeterminada é atingida, reduzindo assim a excesso de pressão de uma forma segura. Como a válvula de segurança pode ser o único dispositivo restante para prevenir falha catastrófica em condições de sobrepresão, é importante que qualquer tal dispositivo seja capaz de operar em todos os momentos e sob todas as condições possíveis. As válvulas de segurança devem ser instaladas sempre que a pressão máxima de trabalho admissível (MAWP) de um sistema ou vaso de contenção de pressão provavelmente será excedida. Em sistemas de vapor, as válvulas de segurança são tipicamente usadas para proteção contra sobrepresão de caldeiras e outras aplicações como a jusante de controles redutores de pressão. Embora seu papel primário seja de segurança, as válvulas de segurança também são usadas em operações de processo para prevenir danos ao produto devido à pressão excessiva. O excesso de pressão pode ser gerado em uma série de situações diferentes, incluindo:

• Um desequilíbrio de vazão de fluido causado por válvulas de isolamento inadvertidamente fechadas ou abertas em um vaso de processo.
• Falha de um sistema de refrigeração, que permite que o vapor ou fluido se expanda.
• Falha de ar comprimido ou energia elétrica para instrumentação de controle.
• Picos de pressão transitórios.
• Exposição a incêndios na planta.
• Falha de tubo de trocador de calor.
• Reações exotérmicas incontroláveis em plantas químicas.
• Mudanças na temperatura ambiente. Os termos ‘válvula de segurança’ e ‘válvula de alívio de segurança’ são termos genéricos para descrever muitas variedades de dispositivos de alívio de pressão projetados para prevenir o acúmulo excessivo de pressão interna de fluido. Uma ampla gama de diferentes válvulas está disponível para muitas diferentes aplicações e critérios de desempenho. Além disso, diferentes projetos são necessários para atender às inúmeras normas nacionais que governam o uso de válvulas de segurança. Uma lista das normas nacionais relevantes pode ser encontrada no final deste módulo. Na maioria das normas nacionais, definições específicas são dadas para os termos associados a válvulas de segurança e válvulas de alívio de segurança. Existem várias diferenças notáveis entre a terminologia usada nos EUA e na Europa. Uma das diferenças mais importantes é que uma válvula referida como ‘válvula de segurança’ na Europa é referida como ‘válvula de alívio de segurança’ ou ‘válvula de alívio de pressão’ nos EUA. Além disso, o termo ‘válvula de segurança’ nos EUA geralmente se refere especificamente ao tipo de elevação total de válvula de segurança usado na Europa. As normas ASME/ANSI PTC25.3 aplicáveis aos EUA definem os seguintes termos genéricos:
• Válvula de alívio de pressão- Uma válvula de alívio de pressão com mola que é projetada para abrir para aliviar pressão excessiva e para refechar e impedir o fluxo adicional de fluido após as condições normais terem sido restauradas. É caracterizada por uma ação de ‘pop’ de abertura rápida ou por abrir de maneira geralmente proporcional ao aumento de pressão sobre a pressão de abertura. Pode ser usada tanto para fluidos compressíveis quanto incompressíveis, dependendo do projeto, ajuste ou aplicação. Este é um termo geral, que inclui válvulas de segurança, válvulas de alívio e válvulas de alívio de segurança.
• Válvula de segurança - Uma válvula de alívio de pressão acionada por pressão estática de entrada e caracterizada por abertura rápida ou ação pop. As válvulas de segurança são primariamente usadas com gases compressíveis e em particular para serviços de vapor e ar. No entanto, também podem ser usadas para aplicações de processo onde podem ser necessárias para proteger a planta ou para prevenir deterioração do produto sendo processado.
• Válvula de alívio - Um dispositivo de alívio de pressão acionado por pressão estática de entrada com uma elevação gradual geralmente proporcional ao aumento de pressão sobre a pressão de abertura. As válvulas de alívio são comumente usadas em sistemas líquidos, especialmente para capacidades menores e serviços de expansão térmica. Também podem ser usadas em sistemas bombeados como dispositivos de transbordo de pressão.
• Válvula de alívio de segurança - Uma válvula de alívio de pressão caracterizada por abertura rápida ou ação pop, ou por abrir proporcionalmente ao aumento de pressão sobre a pressão de abertura, dependendo da aplicação, e que pode ser usada tanto para líquido quanto para fluido compressível. Em geral, a válvula de alívio de segurança atuará como uma válvula de segurança quando usada em um sistema de gás compressível, mas abrirá proporcionalmente à sobrepresão quando usada em sistemas líquidos, como uma válvula de alívio. A norma europeia EN ISO 4126-1 fornece a seguinte definição:
• Válvula de segurança- Uma válvula que automaticamente, sem a assistência de qualquer energia além da do fluido em questão, descarrega uma quantidade do fluido de modo a impedir que uma pressão segura predeterminada seja excedida, e que é projetada para refechar e impedir o fluxo adicional de fluido após as condições normais de pressão de serviço terem sido restauradas. Exemplos típicos de válvulas de segurança usadas em sistemas de vapor são mostrados na Figura 9.1.1.

Projeto de válvula de segurança

A válvula de segurança de mola básica, referida como ‘padrão’ ou ‘convencional’, é um dispositivo auto-atuante simples e confiável que fornece proteção contra sobrepresão. Os elementos básicos do projeto consistem em um corpo de válvula em ângulo reto com a conexão de entrada da válvula, ou bico, montado no sistema de contenção de pressão. A conexão de saída pode ser rosqueada ou flangeada para conexão a um sistema de descarga tubulado. No entanto, em algumas aplicações, como sistemas de ar comprimido, a válvula de segurança não terá uma conexão de saída, e o fluido é ventilado diretamente para a atmosfera.

O projeto da entrada da válvula (ou canal de aproximação) pode ser do tipo bico completo ou semi-bico. Um projeto de bico completo tem todo o trajeto de entrada ‘molhado’ formado de uma única peça. O canal de aproximação é a única parte da válvula de segurança que está exposta ao fluido de processo durante a operação normal, além do disco, a menos que a válvula esteja descarregando.

Os bicos completos são geralmente incorporados em válvulas de segurança projetadas para aplicações de processo e alta pressão, especialmente quando o fluido é corrosivo. Inversamente, o projeto semi-bico consiste em um anel de assento montado no corpo, cuja parte superior forma o assento da válvula. A vantagem desse arranjo é que o assento pode facilmente ser substituído, sem substituir toda a entrada. O disco é mantido contra o assento do bico (sob condições normais de operação) pela mola, que está alojada em um arranjo de corpo de mola aberto ou fechado (ou corpo superior) montado no topo do corpo. Os discos usados em válvulas de segurança de abertura rápida (tipo pop) são cercados por uma capa, suporte do disco ou câmara de agrupamento que ajuda a produzir a característica de abertura rápida.

A força de fechamento no disco é fornecida por uma mola, tipicamente feita de aço carbono. A quantidade de compressão na mola é geralmente ajustável, usando o ajustador de mola, para alterar a pressão na qual o disco é levantado de seu assento.

As normas que governam o projeto e uso de válvulas de segurança geralmente definem apenas as três dimensões que se relacionam com a capacidade de descarga da válvula de segurança, nomeadamente a área de fluxo (ou furo), a área de cortina e a área de descarga (ou orifício) (veja Figura 9.1.4). 1. Área de fluxo- A área de seção transversal mínima entre a entrada e o assento, em seu ponto mais estreito. O diâmetro da área de fluxo é representado pela dimensão ‘d’ na Figura 9.1.4.

2. Área de cortina- A área da abertura de descarga cilíndrica ou cônica entre as superfícies de assento criada pela elevação do disco acima do assento. O diâmetro da área de cortina é representado pela dimensão ‘d1’ na Figura 9.1.4.

3. Área de descarga - Esta é a menor das áreas de cortina e de fluxo, que determina o fluxo através da válvula.

Operação básica de uma válvula de segurança

Elevação Quando a pressão estática de entrada sobe acima da pressão de ajuste da válvula de segurança, o disco começará a se levantar de seu assento. No entanto, assim que a mola começa a comprimir, a força da mola aumentará; isso significa que a pressão teria que continuar subindo antes que qualquer elevação adicional pudesse ocorrer, e para que houvesse qualquer fluxo significativo através da válvula. O aumento adicional de pressão necessário antes que a válvula de segurança descarregue em sua capacidade nominal é chamado de sobrepresão. A sobrepresão admissível depende das normas sendo seguidas e da aplicação particular. Para fluidos compressíveis, isso é normalmente entre 3% e 10%, e para líquidos entre 10% e 25%. Para alcançar a abertura total a partir dessa pequena sobrepresão, o arranjo do disco deve ser especialmente projetado para fornecer abertura rápida. Isso é geralmente feito colocando uma capa, saia ou cobertura ao redor do disco. O volume contido dentro dessa capa é conhecido como câmara de controle ou de agrupamento.

À medida que a elevação começa (Figura 9.1.6b), e o fluido entra na câmara, uma área maior da capa é exposta à pressão do fluido. Como a magnitude da força de elevação (F) é proporcional ao produto da pressão (P) e da área exposta ao fluido (A); (F = P x A), a força de abertura é aumentada.

Este aumento incremental na força de abertura sobrecompensa o aumento da força da mola, causando abertura rápida. Ao mesmo tempo, a capa inverte a direção do fluxo, o que fornece uma força de reação, aprimorando ainda mais a elevação. Esses efeitos combinados permitem que a válvula atinja sua elevação projetada dentro de uma porcentagem relativamente pequena de sobrepresão. Para fluidos compressíveis, um fator contribuinte adicional é a expansão rápida à medida que o volume do fluido aumenta de uma área de pressão mais alta para uma mais baixa. Isso desempenha um papel importante em garantir que a válvula abra totalmente dentro do pequeno limite de sobrepresão. Para líquidos, esse efeito é mais proporcional e, subsequentemente, a sobrepresão é tipicamente maior; 25% é comum.

Recolocamento Uma vez que as condições normais de operação tenham sido restauradas, a válvula é requerida para fechar novamente, mas como a área maior do disco ainda está exposta ao fluido, a válvula não fechará até que a pressão tenha caído abaixo da pressão de ajuste original. A diferença entre a pressão de ajuste e essa pressão de recolocamento é conhecida como ‘blowdown’, e é geralmente especificada como uma porcentagem da pressão de ajuste. Para fluidos compressíveis, o blowdown é geralmente inferior a 10%, e para líquidos, pode chegar a 20%.

O projeto da capa deve ser tal que ofereça tanto abertura rápida quanto blowdown relativamente pequeno, de modo que assim que uma situação potencialmente perigosa seja alcançada, qualquer sobrepresão seja aliviada, mas quantidades excessivas do fluido sejam impedidas de serem descarregadas. Ao mesmo tempo, é necessário garantir que a pressão do sistema seja reduzida o suficiente para evitar reabertura imediata.

Os anéis de blowdown encontrados na maioria das válvulas de segurança do tipo ASME são usados para fazer ajustes finos nos valores de sobrepresão e blowdown das válvulas (veja Figura 9.1.8). O anel de blowdown inferior (bico) é uma característica comum em muitas válvulas onde os requisitos mais apertados de sobrepresão e blowdown requerem uma solução de projeto mais sofisticada. O anel de blowdown superior é geralmente ajustado em fábrica e essencialmente elimina as tolerâncias de fabricação que afetam a geometria da câmara de agrupamento. O anel de blowdown inferior também é ajustado em fábrica para alcançar os requisitos de desempenho do código apropriado, mas em certas circunstâncias pode ser alterado. Quando o anel de blowdown inferior é ajustado para sua posição superior, o volume da câmara de agrupamento é tal que a válvula abrirá rapidamente, minimizando o valor de sobrepresão, mas correspondentemente exigindo um blowdown maior antes que a válvula se reassegure. Quando o anel de blowdown inferior é ajustado para sua posição inferior, há restrição mínima na câmara de agrupamento e uma sobrepresão maior será necessária antes que a válvula esteja totalmente aberta, mas o valor de blowdown será reduzido.

Autoridades de aprovação

Para a maioria dos países, existem organismos independentes que examinarão o projeto e o desempenho de uma gama de produtos para confirmar a conformidade com o código ou norma relevante. Este sistema de aprovação por terceiros é muito comum para qualquer produto relacionado à segurança e é frequentemente um requisito do cliente antes da compra, ou um requisito de sua seguradora. Os requisitos reais para aprovação variam dependendo do código ou norma particular. Em alguns casos, a revalidação é necessária a cada poucos anos, em outros a aprovação é indefinida desde que não sejam feitas mudanças significativas no projeto, caso em que a autoridade de aprovação deve ser notificada e a re-aprovação solicitada. Nos EUA, o National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors representa as agências governamentais dos EUA e Canadá capacitadas a assegurar a adesão à construção e reparo de código de caldeiras e vasos de pressão. Alguns dos organismos mais comumente encontrados estão listados na Tabela 9.1.1. Tabela 9.1.1 Autoridades de aprovação

Códigos e Normas

As normas relevantes para válvulas de segurança variam consideravelmente em formato ao redor do mundo, e muitas são seções dentro de códigos relevantes para Caldeiras ou Vasos de Contenção de Pressão. Alguns apenas descrevem requisitos de desempenho, tolerâncias e detalhes construtivos essenciais, mas não fornecem orientação sobre dimensões, tamanhos de orifício etc. Outros estarão relacionados à instalação e aplicação. É bastante comum dentro de muitos mercados usar vários em conjunto uns com os outros. Tabela 9.1.2 Normas relacionadas a válvulas de segurança

Country	Standard No.	Description
Australia	SAA AS1271	Safety valves, other valves, liquid level gauges and other fittings for boilers and unfired pressure vessels
European Economic Area	EN ISO 4126	Safety devices for protection against excessive pressure
		EN ISO 4126 is a harmonised European Standard and has replaced many National Standards of which British Standard BS 6759 and the French Standard AFNOR NFE-E 29-411 to 416 and 421 are examples.
Germany	AD-Merkblatt A2	Pressure Vessel Equipment safety devices against excess pressure - safety valves
	TRD 421	Technical Equipment for Steam Boilers Safeguards against excessive pressure - safety valves for steam boilers of groups I, IlI & IV
	TRD 721	Technical Equipment for Steam Boilers Safeguards against excessive pressure - safety valves for steam boilers of group II
Japan	JIS B 8210	Steam boilers and pressure vessels - spring loaded safety valves
Korea	KS B 6216	Spring loaded safety valves for steam boilers and pressure vessels
USA	ASME I	Boiler Applications
	ASME III	Nuclear Applications
	ASME VIII	Unfired Pressure Vessel Applications
	ANSI/ASME PTC 25.3	Safety and Relief Valves - performance test codes
	API RP 520	Sizing selection and installation of pressure-relieving devices in refineries
		Part 1 Design
		Part 2 Installation
	API RP 521	Guide for pressure relieving and depressurising systems
	API STD 526	Flanged steel pressure relief valves
	API STD 527	Seat tightness of pressure relief valves

Para aplicações de caldeiras a vapor, existem requisitos muito específicos para o desempenho de válvulas de segurança, exigidos por normas nacionais e frequentemente, seguradoras. A aprovação por uma autoridade independente é frequentemente necessária, como British Engine, TÜV ou Lloyd’s Register.

As válvulas de segurança usadas na Europa também estão sujeitas às normas associadas à Diretiva de Equipamento de Pressão (PED). Sendo classificadas como ‘Acessórios de segurança’, as válvulas de segurança são consideradas equipamentos ‘Categoria 4’, que requerem o nível mais exigente de avaliação dentro do regime da PED. Isso geralmente pode ser atendido pelo fabricante tendo um sistema de qualidade ISO 9000 e o projeto e desempenho da válvula de segurança certificados por uma autoridade de aprovação oficialmente reconhecida referida como ‘Organismo Notificado’.